计算机组成原理作业参

1、计算机的主要性能指标包括哪些？

[参]：

计算机的主要技术性能指标有下面几项：主频、字长、存储容量、存取周期和运算速度等。

（1） 主频：主频即时钟频率，是指计算机的CPU在单位时间内发出的脉冲数。

（2） 字长：字长是指计算机的运算部件能同时处理的二进制数据的位数，它与计算机的功能和用途有很大的关系。字长决定了计算机的运算精度，字长长，计算机的运算精度就高。字长也影响机器的运算速度，字长越长，计算机的运算速度越快。

（3） 存储容量：计算机能存储的信息总字节量称为该计算机系统的存储容量存储容量的单位还有MB（兆字节）、GB（吉字节）和TB（太字节）。

（4） 存取周期：把信息代码存入存储器，称为“写”；把信息代码从存储器中取出，称为“读”。存储器进行一次“读”或“写”操作所需的时间称为存储器的访问时间(或读写时间)，而连续启动两次的“读”或“写”操作(如连续的两次“读”操作)所需的最短时间，称为存取周期(或存储周期)。

（5） 运算速度：运算速度是一项综合性的性能指标。衡量计算机运算速度的单位是MIPS(百万条指令/秒)。因为每种指令的类型不同，执行不同指令所需的时间也不一样。过去以执行定点加法指令作标准来计算运算速度，现在用一种等效速度或平均速度来衡量。等效速度由各种指令平均执行时间以及相对应的指令运行比例计算得出来，即用加权平均法求得。

2、说明常见的计算机分类方法及其类型。

[参]：

计算机有多种分类方法。常见的分类方法有以下几种：

（1） 按处理的信息形式分。可分为数字计算机和模拟计算机。用脉冲编码表示数字，处理的是数字信息，这类计算机是数字计算机；处理长度、电压、电流等模拟量的计算机称为模拟计算机。本书介绍的是数字计算机的组成原理。

（2） 按字长分。可分为 8 位机、16位机、32位机和位机等。

（3） 按结构分。可分为单片机、单板机、多芯片机与多板机。

（4） 按用途分。可分为工业控制机与数据处理机等。

（5） 按规模分。可分为巨型机、小巨型机、大中型机、小型机、工作站和微型机(PC机)六类。

作业二

1、计算机中为什么采用二进制数码？

[参]：

这是由计算机电路所采用的器件决定的。计算机中采用了具有两个稳态的二值电路，用二值电路只能代表两个数码： 0和1。比如，采用正逻辑表示，是以低电位表示数码“0”，高电位表示数码“1”；负逻辑表示，则以高电位表示数码“0”，低电位表示数码“1”。在计算机中采用二进制，具有运算规则简单，物理上实现方便，成本低廉，数码“1”和“0”正好与逻辑命题中的两个值“True”、“False”相对应，为计算机中实现逻辑运算和程序中的逻辑判断提供了便利条件等优点。

2、不同进制之间数据的转换计算。

1）(15.34)8 转换为对应的二进制数、十六进制数和十进制数；

2）二进制数10011100和0.01011转换为十进制数。

[参]：

1） (15.34)8＝(1101.0111)2＝(13.4375)10＝(E.7)16

2） (10011100)2 ＝(156)10

(0.01011)2＝(0.34375)10

    3、把非规格化的浮点数N＝2110×0.01100110规格化，

[参]：

    把浮点数N的尾数向左移一位，变成0. 1100110，同时，阶码递减1，得到N＝2101×0. 1100110，即为规格化的浮点数。

作业三

1、简单介绍CPU中的主要寄存器的名称和功能。

[参]：

    CPU主要有以下寄存器：

（1）指令寄存器（IR）：用来保存当前正在执行的一条指令。

（2）程序计数器（PC）：用来确定下一条指令的地址。

（3）地址寄存器（AR）：用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。

（4）缓冲寄存器（DR）：

<1>作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站。                              

<2>补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。                          

<3>在单累加器结构的运算器中，缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。

（5）通用寄存器（AC）：当运算器的算术逻辑单元（ALU）执行全部算术和逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。

（6）状态条件寄存器：保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条    

件码内容。除此之外，还保存中断和系统工作状态等信息，以便使CPU和系统能及时了解机器运行状态和程序运行状态。

2、何谓正逻辑？何谓负逻辑？

[参]：

正逻辑与负逻辑是把逻辑电路中电平的高低和逻辑变量值0、1联系起来的一种概念。

正逻辑： 指定逻辑电路中高电平为“1”，低电平为“0”，称为正逻辑。

负逻辑： 指定逻辑电路中低电平为“1”，高电平为“0”，称为负逻辑。

对于一个具体的逻辑电路，判断它具有什么逻辑功能，首先要看它是用正逻辑表示的，还是用负逻辑表示的，这在分析和综合逻辑电路时要特别注意。

作业四

1、两个浮点数X=201(+0.1101)，Y=211(-0.1010)，求X+Y=？

[参]：

（1）  对阶

先把X、Y两数用补码表示： 

[X]补=00 01；00.1101      [Y]补=00 11；11.0110

可以看出，[X]补的阶码小，应向[Y]补阶码看齐，[X]补阶码增2，尾数向右移2位。

对阶完毕后，可得

[X]补=00 11；00.0011      [Y]补=00 11；11 0110

（2）  尾数求和

     00.0011

＋    11 0110  

        11 1001

（3）  规格化

这是一个非规格化的数，对上述结果规格化，即进行左规： 尾数向左移1位，阶码减1。得到最后结果： X+Y=210×（-0.1110）

2、已知两个定点小数 X=0.1101，Y=-0.0111，用补码加法求这X+Y。

[参]：

[X]补＝0.1101 ， [Y]补＝1.1001

[X]补+[Y]补＝0.1101+1.1001＝0.0110

所以，X+Y＝0.0110。

作业五

1、某计算机指令字长16位，每个地址码是6位，指令有无地址、一地址和二地址三种格式，设有N条二地址指令，无地址指令M条，试问1地址指令最多有多少条？

[参]：

设1地址指令有X条，则有下式成立：

（（24-N）*26-X）*26=M

得：X=（24-N）*26-M*2-6

2、试述指令周期、CPU周期和时钟周期之间的关系

[参]：

指令周期是执行一条指令所需要的时间。也就是从取指令开始到执行完这条指令为止的全部时间。一个指令周期由若干个机器周期组成。

CPU周期也叫机器周期。是指CPU访问一次主存或输入输出端口所需要的时间。一个CPU周期由若干个时钟周期组成。

时钟周期是CPU处理操作的最小时间单位，也叫T周期

指令周期、CPU周期和时钟周期之间的关系如下图所示。

作业六

1、一个256K×8的DRAM芯片，其地址线和数据线分别为多少根？

[参]：

地址线有18根，数据线有8根。

2、主存储器的性能指标主要有哪些？含义是什么？

[参]：

主存储器的性能指标主要是存储容量、 存取时间、存储周期可靠性和性能价格比。

    在一个存储器中可以容纳的存储单元总数通常称为该存储器的存储容量。

    存取时间又称存储访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。

存储周期是指连续两次的存储器操作（如连续两次读操作）所需间隔的最小时间。

可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障工作的时间。通常用平均无故障时间MTBF来衡量。

性能与价格的比值是衡量存储器经济性能好坏的综合性指标。

    3、用16k×8位的SRAM芯片构成K×16位的存储器，要求画出该存储器的组成逻辑框图。

[参]：

存储器容量为K×16位，其地址线为16位（A15—A0），数据线也是16位（D15—D0）

SRAM芯片容量为16K×8位，其地址线为14位，数据线为8位，因此组成存储器时须字位同时扩展。字扩展采用2 ：4译码器，以16K为一个模块，共4个模块。位扩展采用两片串接。逻辑框图如下图所示。

作业七

1、CPU结构如图所示，其中一个累加寄存器AC，一个状态条件寄存器和其它四个寄存器，各部分之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。

(1) 标明图中四个寄存器的名称。

(2) 简述指令从主存取到控制器的数据通路。

[参]：

     （1）a为数据缓冲寄存器DR，b为指令寄存器IR，c为主存地址寄存器AR，d为程序计数器PC；

（2）PC→AR→主存 → 缓冲寄存器DR → 指令寄存器IR → 操作控制器

2、解释下列基本术语：微命令、微操作、微指令和微程序

[参]：

微命令通常是指那些能直接作用于某部件控制门的命令，它是构成控制信号序列的最小单位。

执行部件接受微命令后进行的操作称为微操作。

在一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，称为微指令。

对应于程序指令的概念，微指令的有序集合称为微程序。一般一条机器指令的功能由对应的一段微程序来实现。

作业八

1、分析请求总线控制方式的优缺点。

[参]：

    请求总线控制方式的优点是： 响应时间快，对优先次序的控制也相当地灵活，它可以预先固定优先次序，也可以通过程序来改变优先次序。并且在必要时屏蔽某些设备的请求。缺点是： 控制线的数量多。比如要控制n个设备，必须有n根“总线请求”线和n根“总线同意”线，相比之下，链式查询方式只需2根，计数器定时查询方式只需约log2n根。另外，请求总线控制方式的控制器也要复杂得多。

2、总线有哪些分类方式，数据总线和地址总线的特点各是什么？

[参]：

根据总线所传输的信息内容的不同，总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。

根据总线在计算机系统中所处的位置不同，总线又有片级总线、内部总线和外部总线之分。

根据二进制数码的传送方式，总线有并行总线和串行总线两种。

根据数据的传送方向，总线有单向总线和双向总线两种。

数据总线的特点是：双向传输；地址总线的特点是：单向传输。

3、说明计数器定时查询工作原理。

[参]：

计数器定时查询工作原理：总线上任一设备要求使用总线时，通过“总线请求”（BR）线发出总线请求信号，总线控制器接到请求信号后，在“总线忙”（BS）为复位的情况下，让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发至各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址一致时，该设备把“总线忙”（BS）置位，获得了总线控制权。此时，终止计数查询。

作业九

1、某双面磁盘，每面有220道，内层磁道周长为70cm，内层位密度400位/cm，转速3000转/分，问：（1）磁盘存储容量是多少？ （2）数据传输率是多少？

[参]：

     （1）每道信息量=400位/cm×70cm=28000位=3500B

                 每面信息量=3500B×220=770000B

                 磁盘总容量=770000B×2=1540000B

     （2）磁盘数据传输率，也即磁盘的带宽Dr=r·N

                 N为每条磁道容量，N=3500B

                 r为磁盘转速r=3000转/60S=50转/S

                 所以，Dr=r×N=50/S×3500B=175000B/S

2、磁记录设备的写电流波形主要有哪几种方式，各自的记录特点分别是什么？

[参]：

磁记录设备的写电流波形主要有归零制、不归零制、调相制、调频制和改进的调频制等几大类。

归零制记录方式的特点是： 正向电流代表“1”，负向电流代表“0”，不论某存储元记录的代码是“0”还是“1”，记录电流都要恢复到零电流（即没有电流）。

不归零制有两种方式，一种是一般的不归零制，另一种是见“1”就翻不归零制。一般的不归零制在记录数据时，磁头线圈中不是有正向电流，就是有反向电流，即磁头线圈总是有电流流过。它的特点是： 对连续记录的“1”或“0”，写电流不改变方向。见“1”就翻的不归零制在记录数据时，磁头线圈中始终有电流。和一般的不归零制的显著不同之处是： 流过磁头的电流在记录“1”时改变方向，在记录“0”时，电流方向不变。

调相制记录方式在一个位周期的中间位置，电流由负到正变化为“1”，由正到负为“0”。

调频制在记录数字“1”时，电流不仅在位周期的中心位置翻转一次，而且在位与位之间也发生翻转。在记录数字“0”时，在位位置的中心不发生翻转，但在位与位之间的边界要翻转一次。

改进的调频制在记录“1”时，电流在位中心位置翻转一次，在记录“0”时，电流方向不翻转， 只有连续记录两个或两个以上“0”时，才在位周期的起始处翻转一次

作业十

1、DMA传送方式有哪几种？各自有何优点？

[参]：

DMA控制器和CPU分时使用总线的方式有以下三种： 停止CPU访问；周期挪用；DMA控制器和CPU交替访问内存。

停止CPU访问传送方式的优点是控制简单，它适用于高速的外围设备与内存之间实现成组的数据传输。由于外围设备和内存传输两个数据之间的间隔一般总是大于内存存储周期，因此，在DMA期间，一部分内存的工作周期处于空闲状态，内存的效能未得到充分发挥。

周期挪用的方式与停止CPU访问内存的方式比较，既实现了外围设备与内存之间的数据传送，又较好地发挥了内存和CPU的效率。但是，外围设备每次周期挪用都要申请总线的控制权、建立总线控制权和归还总线控制权等操作。

DMA控制器和CPU交替访问内存方式中CPU既可不停止程序的运行，也不进入等待状态，是一种高效率的工作方式，不过相应的硬件控制逻辑要更加复杂。

2、何谓中断？中断系统在在计算机系统中有何作用？

[参]：

中断是由外围设备或其他非预期的急需处理的事件引起的，CPU暂时中断正在执行的程序，转至另一服务程序去处理这一事件，待事件处理完毕后返回原程序继续执行。

中断系统在计算机系统中的作用大概有以下五点：

（1）实现CPU和外围设备并行工作。

（2）实现分时操作。

（3）监督现行程序，提高系统处理故障的能力，增强系统的可靠性。

（4）实现实时处理。

（5）实现人机交互。